Nghiên cứu áp dụng phương pháp tổng hợp bột tio2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi trường

Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

VŨ THỊ HẠNH

NGHIÊN CỨU ÁP DỤNG PHƯƠNG TỔNG HỢP BỘT TiO2
CỠ NANO LÀM XÚC TÁC QUANG HÓA
TRONG XỬ LÝ MÔI TRƯỜNG

CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC :
TS. VŨ ĐỨC THẢO

Hà Nội – 2011

i

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

Lời cam đoan
Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu độc lập và nghiêm túc của
bản thân tôi. Các số liệu trong bản luận văn là trung thực và có nguồn gốc rõ ràng.
Tác giả luận văn
Vũ Thị Hạnh

ii

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới Tiến Sĩ Vũ Đức Thảo - Viện Khoa học
và Công nghệ môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội đã hướng dẫn tận tình, chu đáo
và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành khóa luận tốt nghiệp này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới toàn thể các thầy cô giáo, các cán bộ tại
phòng thí nghiệm của Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách
khoa Hà Nội, các cán bộ phòng phân tích chất lượng môi trường – Đại học Hàng hải
Việt Nam đã tạo điều kiện thuận lợi và giúp đỡ tôi trong quá trình làm thực nghiệm.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến gia đình và bạn bè đã động viên, giúp đỡ tôi trong
quá trình học tập và làm Luận văn.
Hà Nội, ngày 25 tháng 9 năm 2011
HỌC VIÊN
Vũ Thị Hạnh

iii

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Lời cảm ơn

Danh mục bảng
Danh mục hình vẽ, biểu đồ
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................1
Chương 1 - TỔNG QUAN .............................................................................................3
Chương 1 - TỔNG QUAN .............................................................................................3
1.1. Vật liệu nano và các ứng dụng.............................................................................3
1.2. Cấu trúc và ứng dụng của TiO2 ...........................................................................5
1.2.1. Các dạng cấu trúc của TiO2 ...............................................................................5
1.2.2. Tính chất vật lý của TiO2 ..................................................................................7
1.2.3. Tính chất xúc tác quang của TiO2 .....................................................................7
1.2.4. Ứng dụng của TiO2 .........................................................................................14
1.2. Một số quy trình cơ bản sản xuất Titan từ tinh quặng ilmenite .........................15
1.2.1. Sản xuất TiCl4 và TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp axit hóa
.......................................................................................................................................15
1.2.2. Tổng hợp TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp thủy phân trong
kiềm ...............................................................................................................................18
1.3. Công nghệ nền cơ bản trong hóa học nano ........................................................19
1.3.1. Phương pháp sol – gel.................................................................................20
1.3.2. Công nghệ hạt nano Micell.........................................................................21

1.3.3. Tổng hợp hóa học .......................................................................................22
1.3.4. Phương pháp đốt .........................................................................................23
1.4. Phương pháp đẳng nhiệt hấp phụ – giải hấp phụ ...............................................23
Chương 2 – ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..............................24
2.1. Đối tượng nghiên cứu.........................................................................................24
2.2. Hóa chất thiết bị .................................................................................................24
2.3. Phương pháp nghiên cứu....................................................................................25
iv

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

2.3.1. Phương pháp nghiên cứu tài liệu ................................................................25
2.3.2. Quy trình tổng hợp bột TiO2 cỡ nano .........................................................25
2.3.2. Một số phương pháp nghiên cứu cấu trúc của vật liệu...............................29
2.3.2. Phương pháp xác định thành phần kim loại ...............................................31
2.3.4. Phương pháp xác định sự biến đổi hàm lượng phẩm nhuộm .....................31
Chương 3 - KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .......................................................................34
3.1. Kết quả nghiên cứu quá trình tổng hợp bột TiO2 cỡ nano .................................34
3.1.1. Đặc trưng của ilmenite Huế ........................................................................34
3.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình phân hủy, hòa tách Titan....................34
3.1.3. Khảo sát hiệu quả tổng hợp bột TiO2 cỡ nano............................................41
3.1.4. Kết quả khảo sát cấu trúc, kích thước vật liệu............................................42
3.2. Kết quả khảo sát khả năng xúc tác của vật liệu tổng hợp trong xử lý nước thải
pha E-3G........................................................................................................................47
3.2.1. Đặc tính ban đầu của nước thải pha chứa E-3G .........................................47
3.2.2. Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý E-3G ...........................49

3.2.3. Nghiên cứu khả năng tái sinh xúc tác.........................................................54
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ......................................................................................56
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................57

v

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

Danh mục chữ viết tắt
COD

: Nhu cầu oxy hóa học

ICP-MS

: Inductively coupled plasma mass spectroscopy

SEM

: Scanning Electron Microscope

XRD

: Powder X - rays Diffraction

vi

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

Danh mục các bảng
Bảng 1. Một số thông số vật lý của anatase và rutile ......................................................7
Bảng 2. Năng lượng oxi hoá của một số tác nhân oxi hoá mạnh ..................................11
Bảng 3. Thành phần hóa học của ilmenite Huế.............................................................34
Bảng 4: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ H2SO4/ilmenite tới quá trình hòa tách
Titan...............................................................................................................................35
Bảng 5. Kết quả khảo sát nồng độ H2SO4 tới quá trình hòa tách Titan.........................36
Bảng 6. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của lượng nước tới quá trình hòa tách Titan ......37
Bảng 7. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ, phản ứng có khuấy trộn ................39
Bảng 8. Kết quả khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ, phản ứng không khuấy trộn ................39
Bảng 9. Kết quả khảo sát ảnh hưởng của thời gian hoà tách .......................................40
Bảng 11. Mối tương quan giữa giá trị Abs và bước sóng đối với nước thải pha ..........47
Bảng 12. Mối quan hệ giữa khối lượng thuốc nhuộm và độ hấp thụ quang .................48
Bảng 13. Đặc tính ban đầu của nước thải pha chứa E-3G.............................................49
Bảng 14. Ảnh hưởng của khối lượng xúc tác đến hiệu suất..........................................50
Bảng 15. Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý..........................................................51
Bảng 16. Ảnh hưởng của thời gian chiếu UV đến hiệu suất xử lý E-3G ......................52
Bảng 18. Khả năng xử lý của xúc tác qua các lần tái sinh ............................................55

vii

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội

Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hình 1 : Cấu trúc bát diện của TiO6 ...............................................................................6
Hình 2: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2 ...................................................6
Hình 3: Chất rắn bán dẫn................................................................................................8
Hình 4: Hoạt động của hạt bán dẫn khi bị kích thích bằng ánh sáng .............................8
Hình 5: Cơ chế xúc tác quang hóa của chất bán dẫn....................................................10
Hình 6 : Phản ứng oxy hoá khử trên bề mặt TiO2 [1] ..................................................11
Hình 7: Một số ứng dụng của TiO2 ..............................................................................15
Hình 8: Sản xuất TiCl4 và TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp axit.........16
Hình 9: Tổng hợp TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp kiềm...................18
Hình 10: Sơ đồ các quá trình chế tạo hạt nano polymer dẫn lai hạt kim loại theo công
nghệ nano micell...........................................................................................................22
Hình 11: Tổng hợp TiO2 cỡ nano từ ilmenite Huế.......................................................26
Hình 12: Tổng hợp TiO2 cỡ nano từ TiO2 thương mại ................................................28
Hình 13: Nguyên lí cấu tạo của máy nhiễu xạ tia X.....................................................30
Hình 14: Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể........................................................30
Hình 15: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của tỷ lệ H2SO4/ilmenite tới quá trình hòa tách
Titan..............................................................................................................................35
Hình 16: Đồ thị khảo sát nồng độ H2SO4 tới quá trình hòa tách Titan ........................36
Hình 17: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của lượng nước tới quá trình hòa tách Titan......38
Hinh 18: Kết quả khảo sát ảnh hưởng nhiệt độ và tốc độ khuấy..................................39
Hình 19: Đồ thị khảo sát ảnh hưởng của thời gian hoà tách ........................................41
Hình 20: Vật liệu TiO2 sau nung ở 5000C trong 3 giờ.................................................42
Hình 21: Ảnh XRD của vât liệu tổng hợp từ ilmenite .................................................43
Hình 22: Ảnh XRD của vât liệu tổng hợp từ TiO2 thương mại ..................................44
Hình 23: Ảnh SEM của vât liệu TiO2 điều chế từ Ilmenite..........................................46

Hình 24: Ảnh SEM của vật liệu TiO2 điều chế từ TiO2 thương mại............................46
Hình 25: Đồ thị biểu diễn mối tương quan giữa độ hấp thụ quang và bước sóng .......48
Hình 26: Đồ thị đường chuẩn xác định hàm lượng phẩm nhuộm E-3G ......................49
Hình 27: Mối tương quan giữa hàm lượng xúc tác và nồng độ E-3G..........................50
viii

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

Hinh 28: Ảnh hưởng của pH đến nồng độ E-3G..........................................................52
Hình 29. Sự phụ thuộc của nồng độ E-3G vào thời gian chiếu UV ............................53
Hình 30. Sự giảm nồng độ E-3G khi thay đổi lượng tác nhân oxi hóa H2O2...............54

ix

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

MỞ ĐẦU
Trong thời đại ngày nay, ô nhiễm môi trường đã trở thành một vấn đề mang tính
toàn cầu, ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống và sản xuất của con người, làm thay đổi
khí hậu dẫn đến những thảm hoạ thiên nhiên tàn khốc. Do đó, việc quan tâm và xử lý ô
nhiễm môi trường có một vai trò và ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với cuộc sống hiện
tại và tương lai của loài người.

Nước thải ngành dệt nhuộm có chứa nhiều loại chất hữu cơ mang màu, khó
phân hủy sinh học, gây ô nhiễm nghiêm trọng cho nguồn tiếp nhận. Do đó, việc quan
tâm và xử lý các hợp chất hữu cơ bền trong đó có các loại thuốc nhuộm có một vai trò
và ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với cuộc sống hiện tại và tương lai của loài người.
Hiện nay trên thế giới có nhiều phương pháp để xử lý các hợp chất hữu cơ khó
phân hủy sinh học, một trong những phương pháp quan trọng đã và đang hứa hẹn đem
đến những thành tựu to lớn cho con người đó là phương pháp quang xúc tác. Phương
pháp này có nhiều ưu điểm nổi trội như hiệu quả xử lý cao và có khả năng khoáng hóa
hoàn toàn các hợp chất hữu cơ độc hại thành các hợp chất vô cơ ít độc hơn. Một trong
những chất được sử dụng rộng rãi làm xúc tác quang hóa là TiO2.
Trong hai thập kỷ gần đây, quá trình xúc tác quang hóa bán dẫn trên TiO2 được
xem như là một phương pháp hiệu quả và có triển vọng thay thế các phương pháp
truyền thống để xử lý các chất hữu cơ trong môi trường nước hoặc không khí. Trong
lĩnh vực này các nghiên cứu cho thấy nếu TiO2 được sử dụng dạng bột, kích thước
nano và tinh thể dạng anatase sẽ có hoạt tính xúc tác cao nhất dưới tác dụng của bức xạ
UV.
Sản xuất nano TiO2 từ nguyên liệu ban đầu là sa khoáng ilmenite của Việt Nam là
một hướng nghiên cứu được phát triển gần đây ở nước ta do tính sẵn có của loại quặng
này cũng như hàm lượng cao của Titan trong ilmenite. Trên cơ sở khoa học và thực
tiễn đó tôi chọn đề tài khóa luận của mình là: “Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2
cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi trường”. Nguyên liệu ban đầu là sa
khoáng ilmenite Huế, hoạt tính xúc tác của sản phẩm được đánh giá thông qua khả
năng khử màu và phân hủy thuốc nhuộm vàng phân tán E-3G.

1

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi

trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

Nội dung của luận văn bao gồm 5 phần: phần mở đầu, 3 chương nội dung và phần
kết luận.
Chương 1: Tổng quan về công nghệ nano, TiO2, nano TiO2 và ứng dụng
Chương 2: Thực nghiệm quy trình chế tạo bột TiO2 cỡ nano và các phương pháp
nghiên cứu đặc tính vật liệu
Chương 3: Kết quả và thảo luận, khảo sát các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình tổng
hợp vật liệu, kết quả phân tích cấu trúc, kích thước vật liệu và hiệu quả xử lý của vật
liệu thông qua khả năng phân hủy thuốc nhuộm vàng phân tán E-3G.

2

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

Chương 1 - TỔNG QUAN
1.1. Vật liệu nano và các ứng dụng
Công nghệ Nano là công nghệ tạo vật liệu có cấu trúc tinh thể cỡ nanomet. Cấu
trúc Nano là các hệ thống có kích cỡ thuộc thang Nano (khoảng từ 1 đến 100 nanomet)
gồm các nguyên tử, phân tử được sắp đặt vị trí sao cho cả hệ thống thực hiện được các
chức năng theo yêu cầu.
Phân loại cấu trúc Nano về mặt hình học có các loại: hạt nano, sợi nano, dây
nano, ống nano, lớp nano,…
Phân loại về mặt chức năng bao gồm: vật liệu nano (hạt nano, vật liệu nền nano
tinh thể, ống nano), linh kiện nano (cảm biến nano, linh kiện đơn điện tử), máy nano,
máy nano phân tử),…

Thực tế trong một, hai thập kỷ qua cho thấy có thể thiết kế và chế tạo được nhiều
cấu trúc nano từ nhiều dạng vật liệu bình thường hiện có bao gồm vật liệu vô cơ, vật
liệu hữu cơ và vật liệu sinh học.
Ngày nay, có 10 ứng dụng cơ bản nhất của sản phẩm công nghệ Nano được thế
giới biết đến, cụ thể:
- Dự trữ, sản xuất và chuyển biến năng lượng
- Tăng sản lượng nông nghiệp
- Xử lý nước
- Chẩn đoán bệnh và chiếu chụp
- Hệ thống cung cấp thuốc
- Chế biến và dự trữ thực phẩm
- Kiểm soát ô nhiễm
- Xây dựng
- Giám sát sức khoẻ
- Phát hiện và kiểm soát vật truyền bệnh và côn trùng gây bệnh.
- Khác với các chất độn thông thường, nếu sử dụng chất độn bentonit cỡ nano với
lượng rất nhỏ thì có thể tăng tính ổn định nhiệt của polyamit thêm khoảng 500C. Nếu
chỉ bổ sung các chất độn nano ở mức 2% trọng lượng của vật liệu composit thì có thể
giảm 50% độ thẩm thấu đối với oxy, CO2 và hơi nước.
3

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

- Cỡ hạt đặt biệt mịn của các chất độn bentonit cỡ nano cho phép tạo ra các lớp
vật liệu silicat vô cơ 3 chiều, trong chất nền hữu cơ với hàm lượng chất độn chỉ ở mức
vài phần trăm trọng lượng. Khi cháy, mạng khoáng chất vô cơ này góp phần tạo thành

các vách cứng, nhờ đó ngăn lửa lan rộng. Tính chất này được áp dụng để sản xuất các
vật liệu có tính năng chống cháy.
- Các loại bột màu đặc biệt với khả năng hấp thụ cao (ví dụ canxi cacbonat tự
nhiên, nghiền mịn với các biến đổi đặc biệt trong cấu trúc bề mặt) đã được phát triển
cho các loại sơn đặc biệt. ở đây người ta áp dụng phương pháp tạo hoạt tính nano trên
bề mặt các hạt cỡ micro.
- Máy cảm biến nano thay thế thiết bị bán dẫn, bê tông nano thay thế xi măng giá
thành rẻ hơn và không thải ra quá nhiều CO2 trong quá trình sản xuất.
Những loại bột màu đặc biệt này có tốc độ hấp thụ nhanh hơn và dung tích
lỏng lớn gấp 10 lần so với bột màu đồng nhất thông thường. Những tính chất này
rất có lợi đối với nhiều ứng dụng đòi hỏi tính hấp thụ chất lỏng cao, ví dụ các loại
mực in.
Nhiều ứng dụng đã được tiến hành trong nhiều lĩnh vực ít ai ngờ và những ý
tưởng mới và lạ nhất đang hình thành ở khắp mọi công ty lớn trên thế giới. Chẳng hạn,
những phân tử polyme siêu nhỏ và siêu bền, được dùng để chế tạo ván trượt tuyết, giúp
trượt dễ hơn. Quần áo của các vận động viên hay nhà thám hiểm cũng được dệt từ các
loại sợi nano siêu kín và siêu mỏng, chống chọi tốt với cái lạnh khắc nghiệt của vùng
cực hay đỉnh Everest. Một quả bóng tennis được chế tạo từ kỹ thuật nano sẽ có sức
chịu đựng gấp đôi so với bóng hiện nay. Dầu hay kem dưỡng da từ nano sẽ giúp da
chống lại tia cực tím một các hữu hiệu. Máy in Xerox vào năm 2015 có kích thước chỉ
bằng viên xúc xắc. Những tấm pin mặt trời hay trạm điện mặt trời chỉ to bằng hòn tẩy.
Một loạt công ty đã nhảy vào cuộc: Mitsubishi, Motorola, Lucent, Hitachi, Nec, Sony,
Microsoft, IBM. Riêng Mitsubishi đã đầu tư hơn 100 triệu Euro cho nano đến năm
2007. Công ty này sẽ tạo ra những loại sợi carbone nhỏ chắc hơn thép 100 lần và nhẹ
hơn thép 6 lần. Hewlett - Packard cũng không muốn chậm chân: nhà nghiên cứu
Stanley Williams đang chỉ huy hệ thống phòng thí nghiệm thử nghiệm nhiều loại chất
liệu nano. Theo tạp chí Forber, giáo sư này là một trong những cao thủ về nano của thế
4

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội

Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

giới. Hiện nay, Williams đã thành công trong việc nhét một bóng bán dẫn vào một
phân tử. Một khoản ngân sách, chỉ riêng năm 2003, đã có 3 tỷ Euro được chi ra cho
những nhà nghiên cứu nano thượng thặng. Tạp chí Asiaweek nhận định rằng thị trường
nano chưa bùng nổ sớm tại Châu á, nhưng Trung Quốc không muốn thua kém Nhật
Bản và ấn Độ…
1.2. Cấu trúc và ứng dụng của TiO2
1.2.1. Các dạng cấu trúc của TiO2
Titan được phân bố rộng khắp và khá dồi dào. Người ta ước tính tổng lượng
Titan(Ti) thô chiếm khoảng 0.6% trọng lượng vỏ trái đất nó chỉ đứng thứ 9 sau oxy,
sillic(Si), nhôm(Al), sắt(Fe), magiê(Mg), canxi(Ca), natri(Na) và kali(K). Bằng 1/20 so
với nhôm và 1/10 so với sắt, gấp 5-10 lần lượng Clo, lưu huỳnh, hay phốt pho và hơn
tất cả trữ lượng các kim loại hiếm còn lại trên trái đất hiện nay.
TiO2 là một trong các vật liệu cơ bản trong cuộc sống hàng ngày, nó được sử
dụng rộng rãi làm phẩm màu trắng trong sơn, mỹ phẩm…TiO2 với cấu trúc tinh thể
dạng anatase có kích thước tinh thể từ 5 - 50 nm có hoạt tính quang xúc tác mạnh, nên
gần đây đã được nghiên cứu rất nhiều để ứng dụng xử lý các chất độc hại trong môi
trường.
TiO2 là vật liệu bán dẫn có thể được kích hoạt hoá học bằng ánh sáng. Dưới tác
dụng của ánh sáng, vật liệu này có thể thúc đẩy quá trình phân huỷ các chất hữu cơ.
Hiệu ứng này đưa tới một hiện tượng là các thành phần hữu cơ của chất màu bị phân
huỷ do tác động của quá trình xúc tác quang hoá.
TiO2 là vật liệu tinh thể với bảy dạng cấu trúc đã được công bố, bốn dạng cấu trúc
là tự nhiên còn các dạng khác là tổng hợp. Trong đó có hai dạng phổ biến nhất là tinh
thể là rutil và anatase, cấu trúc của dạng tinh thể anatase và rutil đều thuộc hệ tinh thể
tetragonal, cả 2 dạng tinh thể trên đều được tạo nên từ các đa diện phối trí TiO6 cấu

trúc theo kiểu bát diện (Hình 1)

5

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

Hình 1 : Cấu trúc bát diện của TiO6
Cấu trúc rutile và anatase có thể được mô tả dưới dạng chuỗi của TiO62(octachedra tám mặt). Hai cấu trúc này khác nhau bởi sự biến dạng của mỗi hình tám
mặt và liên kết giữa các octachdra. Trong cấu trúc của rutile, mỗi octachedra được gắn
kết với 10 octachedra lân cận. Trong khi ở anatase, mỗi octachedra tiếp xúc với 8
octachedra lân cận khác. Mỗi ion Ti4+ được bao bọc xung quanh bởi một nhóm
octachedra gồm 6 ion O2-. Hình 8 mặt trong rutile không đồng đều do có sự biến dạng
của các octhorhombic (hệ thoi) yếu. Các octachedra của anatase bị biến dạng mạnh.

Anatas

Rutil

Hình 2: Cấu trúc tinh thể các dạng thù hình của TiO2
Trong anatase, khoảng cách Ti - Ti lớn hơn (3,79 và 3,04Å ở anatase, trong đó
3,57 và 2,96 Å ở rutile), trái lại khoảng cách Ti-O ngắn hơn (1,934 và 1,980Å ở
anatase trong khi 1,949 và 1,98Å ở rutile). Sự khác nhau về cấu trúc mạng lưới dẫn đến
sự khác nhau về mật độ và cấu trúc điện tử giữa hai dạng. Vì thế, dạng anatase có hoạt
tính xúc tác cao hơn.

6

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

1.2.2. Tính chất vật lý của TiO2
Một số tính chất vật lý của hai dạng thù hình quan trọng của TiO2 là rutile và
anatase được trình bày trong bảng 1.
Bảng 1. Một số thông số vật lý của anatase và rutile
Tính chất

Anatas

Rutil

Hệ tinh thể

Tetragonal

Tetragonal

Nhóm không gian

I41/amd

P42/mnm

Thông số mạng a

3,78A0

4,58A0

Thông số mạng c

9,49A0

2,95A0

Khối lượng riêng

3,895g/cm3

4,25g/cm3

Độ khúc xạ

2,52

2,71

Độ cứng (thang Mox)

5,5-6,0

6,0-7,0

Hằng số điện môi

31

114

Nhiệt độ nóng chảy

Nhiệt độ cao chuyển thành
dạng rutil

1858oC

1.2.3. Tính chất xúc tác quang của TiO2
1.2.3.1. Sự kích thích điện tử của chất bán dẫn
Nguyên lý cơ bản xúc tác quang hoá của chất bán dẫn
Phản ứng quang hoá chỉ xảy ra khi có bức xạ ánh sáng với năng lượng đủ lớn phá vỡ
liên kết hoá học của chất tham gia phản ứng để hình thành các liên kết hoá học mới. Chất
xúc tác quang hoá là những chất nhạy sáng, trong quá trình bức xạ quang, các chất này
thường sinh ra các hạt có khả năng oxy hoá và khử mạnh, chúng có tác dụng đẩy nhanh
tốc độ của phản ứng quang hoá.
Trong phản ứng oxy hoá quang hoá, khi không có xúc tác quang hầu hết các chất
hydrocacbon bị oxy hoá chậm. Một hệ xúc tác quang dị thể có chứa các hạt bán dẫn đóng
vai trò xúc tác quang. Chất xúc tác quang có tác dụng làm giảm năng lượng hoạt hoá
của phản ứng. Khi các chất này bị bức xạ ánh sáng nó sẽ tạo ra trạng thái bị kích thích.
Từ trạng thái kích thích này khơi mào thành các trạng thái tiếp theo như các phản ứng
oxy hoá khử và sự biến đổi phân tử…

7

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội

Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

Dưới đây là sơ đồ minh hoạ cơ chế hoạt động của một hệ xúc tác quang dị thể có
chứa các hạt bán dẫn ( Hình 3) đóng vai trò xúc tác quang.
Vùng dẫn

Vùng cấm
(Eg < 3 eV)
Vùng hoá
trị

Hình 3: Chất rắn bán dẫn
Do cấu trúc điện tử được xác định bởi vùng hoá trị (VB) và vùng dẫn trống (CB),
các chất bán dẫn như ZnO, CdS, TiO2, Fe2O3, ZnS… có thể hoạt động như các chất làm
nhạy cho các quá trình oxy hoá khử có tác nhân là ánh sáng. Sự chênh lệch về năng
lượng giữa mức nặng lượng thấp nhất của vùng dẫn trống (CB) và mức năng lượng cao
nhất của vùng hoá trị (VB) được gọi là khe năng lượng vùng cấm Eg. Nó tương ứng với
năng lượng tối thiểu của ánh sáng kích thích cần có để làm cho vật liệu trở nên dẫn điện.

A•

h

Khử

EE

g

A
D

Oxy

D• +
Hình 4: Hoạt động của hạt bán dẫn khi bị kích thích bằng ánh sáng
Trong hệ xúc tác dị thể sự tác động của các photon lên các phân tử và những phản
ứng quang hoá chủ yếu xảy ra trên bề mặt xúc tác. Chất mang điện tích linh động có
thể được tạo ra bằng ba cơ chế khác nhau: kích thích nhiệt, kích thích quang và pha
tạp. Khi chiếu một photon có năng lượng hν cao hơn năng lượng của vùng cấm thì một
electron (e-) bị đẩy ra khỏi vùng hoá trị tới vùng dẫn để lại một lỗ trống (h+). Trong các vật
8

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

liệu dẫn (kim loại) các chất mang điện tích ngay lập tức tái kết hợp. Trong các chất bán
dẫn một bộ phận các cặp electron - lỗ trống bị kích thích bằng ánh sáng này khuếch tán
trên bề mặt của hạt xúc tác (các cặp electron- lỗ trống bị giữ lại trên bề mặt) và tham
gia vào phản ứng hoá học với các phân tử nhận (A) hoặc các phân tử cho (D) bị hấp
thụ. Các lỗ trống có thể oxy hoá các phân tử cho (a), trong khi đó các electron vùng
dẫn có thể khử các phân tử nhận electron thích hợp (b) .
D + h+

→ D•+

A + e-

→

A•-

(a)
(b)

Một tính chất đặc trưng của các oxit kim loại bán dẫn là các lỗ trống h+ có năng
lượng oxy hoá mạnh. Chúng có thể oxy hoá nước để tạo ra gốc hydroxyl hoạt động
mạnh (•OH). Các lỗ trống và các gốc hydroxyl là các chất oxy hoá rất mạnh, chúng có
thể được dùng để oxy hoá hầu hết các chất ô nhiễm hữu cơ.
•

H2O + h+ →

OH + H+

(c)

Nhìn chung, oxy không khí hoạt động như là một chất nhận electron bằng cách
tạo thành ion •O2O2 + e- →

•

O2-

(d)

Ion này cũng có khả năng oxy hoá các chất hữu cơ.
Phương pháp oxi hóa sử dụng xúc tác quang hóa
Ngày nay, phương pháp oxi hóa sử dụng xúc tác quang hóa là một trong những
biện pháp phổ biến được sử dụng để xử lý các chất ô nhiễm do đây là phương pháp có
khả năng phân hủy triệt để những chất hữu cơ có cấu trúc bền, độc tính chưa bị loại bỏ
hoàn toàn bởi quá trình keo tụ và không dễ bị oxy hóa bởi các chất oxy hóa thông
thường, cũng như không hoặc ít bị phân hủy bởi vi sinh vật.
Xúc tác quang hóa ở pha rắn (thường là chất bán dẫn), tiếp xúc với pha khí hoặc
pha lỏng của chất phản ứng. Khi được chiếu sáng, xúc tác sẽ hấp thụ năng lượng, một
electron của lớp vỏ hoá trị sẽ nhảy lên lớp dẫn điện, tạo ra một lỗ trống mang điện tích
dương (h+) trong lớp vỏ hoá trị. Electron (e-) và lỗ trống (h+) có thể kết hợp lại với
nhau, giải phóng ra năng lượng, hoặc sẽ định cư luôn trên bề mặt xúc tác. Khi đó sẽ tạo

9

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

ra một tác nhân oxi hoá hoạt động nhờ phản ứng của (e-) hoặc (h+) với một chất oxi
hoá, chẳng hạn như H2O2 và O3.

Hình 5: Cơ chế xúc tác quang hóa của chất bán dẫn
Khi sử dụng H2O2 làm chất oxi hóa với xúc tác quang được chiếu sáng sẽ tạo ra
gốc hydroxyl (•OH) theo các phản ứng sau.

H 2O + h + ⎯
⎯→ * OH + H +
OH

−

+ h+ ⎯
⎯→ * OH

O 2 + 2 H + + 2e − ⎯
⎯→ H 2 O 2
H 2O2 + e − ⎯
⎯→ * OH + OH

−

hv
H 2 O 2 ⎯⎯→
2 * OH

O2 + e − ⎯
⎯→ O 2−
O 2− + H 2 O 2 ⎯
⎯→ * OH + OH

−

+ O2

1.2.3.2. Tính chất xúc tác quang của TiO2

TiO2 là một chất bán dẫn có khe năng lượng vùng cấm được xác định: Eg = 3,2
eV. Nếu nó được bức xạ bằng photon có năng lượng lớn hơn 3,2 eV (bước sóng < 388
nm) thì vùng cấm bị vượt quá và một electron bị đẩy từ vùng hoá trị đến vùng dẫn,
theo đó quá trình chính là tạo thành chất mang điện tích (e).
TiO2 + hν → h+ + e⎯

(1.1)

(e)

Nước hấp phụ trên bề mặt của TiO2 bị oxy hoá bởi các lỗ trống và sau đó tạo ra
gốc hydroxyl, tiếp theo gốc hydroxyl này phản ứng với các chất hữu cơ. Cuối cùng các
chất hữu cơ bị phân huỷ thành CO2 và H2O. Mặt khác electron khử oxy để tạo ra •O2-,

10

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

sau đó ion này tạo ra peroxide là sản phẩm trung gian của phản ứng oxy hoá, hoặc tạo
ra nước thông qua hydrogen peroxide.
OH - + h+

→

•

OH

•
O2 + e- →
O2TiO2 + hν → TiO2(e⎯ + h+)

TiO2 (h+) + OH- → •OH

+ TiO2

(1.2)
(1.3)
(1.4)
(1.6)

h+VB + (H2O) → H+ + •OH

(1.7)

•

(1.8)

O2• + H+ → HO2•

(1.9)

h

VB + OH ⎯ → OH

HO2⎯

•

+ HO2 → H2O2 + O2

H2O2 + e⎯ →•OH + OH ⎯⎯

O2
•

(1.5)

e⎯CB + (O2) → •O⎯2
+

e-

Điện t ử

(1.10)

O⎯ 2

photor
3,2eV

Lỗ trống

•

h+

OH
H 2O

(1.11)

Hình 6 : Phản ứng oxy hoá khử trên bề mặt TiO2 [1]
Các lỗ trống có thể tham gia trực tiếp vào các phản ứng oxi hóa các chất độc
hại, cũng có thể qua giai đoạn trung gian tạo thành gốc tự do như •OH, •O2- .... Các gốc
tự do sinh ra sẽ tiếp tục oxi hóa các chất hữu cơ bị hấp phụ trên bề mặt xúc tác thành
phẩm cuối cùng không độc hại là CO2 và H2O, các axit vô cơ đơn giản như: HCl,
H2SO4, HNO3.
Bảng 2. Năng lượng oxi hoá của một số tác nhân oxi hoá mạnh
Tác nhân

Năng lượng oxi hoá tương đối (eV)

F

3,06

HO•

2,80

O•

2,42

O3

2,08

H2O2

1,78

Cl2

1,36

ClO2

1,27

O2

1,23

Nguồn: Carey 1992, Zhou and Smith 2002, Metcalf and Eddy 2003

11

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi

trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

Phản ứng xúc tác quang hóa thường được thực hiện với các chất bán dẫn như
CdS, WO3, TiO2…Tuy nhiên trong các chất bán dẫn, người ta thấy rằng TiO2 có hoạt
tính tương đối tốt với nhiều ưu điểm như:
- Có hoạt tính xúc tác cao;
- Trơ về mặt hóa học, sinh học;
- Không bị ăn mòn bởi tác dụng của ánh sáng và hóa chất.
- Bản thân nano TiO2 không độc hại, sản phẩm của sự phân hủy chất này cũng
an toàn.
Những đặc tính này tạo cho nano TiO2 những lợi thế vượt trội về hiệu quả kinh
tế và kỹ thuật trong việc làm sạch môi trường nước, không khí khỏi các tác nhân ô
nhiễm
TiO2 có hoạt tính quang hóa cao, với khả năng khoáng hóa hoàn toàn các hợp
chất hữu cơ thành các hợp chất vô cơ vô hại [11]. Tuy nhiên quá trình này chỉ thực
hiện được dưới tác động của tia UV do năng lượng vùng cấm Eg vào khoảng 3,2 eV.
Mà bức xạ này chỉ chiếm khoảng 4% ánh sáng mặt trời, hơn nữa việc tạo ra bức xạ
UV khá tốn kém, cần nhiều thiết bị chuyên dụng. Vì vậy, tăng khả năng hấp thụ ánh
sáng của vật liệu TiO2 ở vùng có bước sóng dài hơn có thể mang lại một tương lai mới
cho việc ứng dụng xúc tác quang hóa tại vùng khả kiến để xử lý ô nhiễm môi trường là
một vấn đề đang được nhiều nhà khoa học quan tâm.
Để tăng cường khả năng xúc tác quang hóa của TiO2 ở vùng khả kiến, đã có
một số công trình nghiên cứu về cấy thêm các nguyên tố khác lên TiO2. Việc đưa thêm
nguyên tố khác vào xúc tác TiO2 làm tăng khả năng hấp thụ ánh sáng ở bước sóng dài
hơn, có thể tiến tới vùng khả kiến. Việc biến tính TiO2 đã được thực hiện với nhiều
kim loại như: Co, Cr, Mn, Ni, Cu, Ag [15,19]… hay phi kim như N, S, C, …Vật liệu
TiO2 cấy thêm Ag cũng đã được quan tâm nghiên cứu trong một số công trình.
™ Các tham số ảnh hưởng đến động học phản ứng quang hóa
- Khối lượng xúc tác (m)
Đối với cả hai hệ xúc tác quang hóa (hệ xúc tác huyền phù và hệ xúc tác cố

định), tốc độ phản ứng đầu đều tỉ lệ thuận với khối lượng xúc tác. Tuy nhiên tồn tại

12

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

một giá trị mmax mà nếu tiếp tục tăng khối lượng xúc tác thì tốc độ phản ứng không
thay đổi. Giá trị mmax phụ thuộc vào dạng hình học và điều kiện tiến hành của thiết bị
phản ứng quang hóa. Giá trị mmax thường xấp xỉ 1,3mg TiO2/cm2 đối với hệ cố định và
2,5g TiO2/l đối với hệ huyền phù.
Đối với điều kiện thực hiện phản ứng trong phòng thí nghiệm, các công trình
nghiên cứu đã cho thấy khi thực hiện phản ứng quang hóa trong bình cố định thì nồng
độ tốt nhất của TiO2 là 2,5g/l, còn khi thực hiện phản ứng trong một hệ thống tuần
hoàn dung dịch thì chỉ cần lượng TiO2 là 0,2g/l.
- Bước sóng của đèn
Tốc độ phản ứng nói chung phụ thuộc vào bước sóng của đèn. Đối với TiO2
khoảng cách giữa vùng dẫn và vùng hóa trị có năng lượng Ebg = 3,2eV tương ứng với
bước sóng 380 nm.
- Nồng độ đầu (Co)
Ảnh hưởng của nồng độ đầu đến tốc độ phản ứng tuân theo mô hình động học
Langmuir - Hinshelwood.
- Nhiệt độ (T)
Vì phản ứng được hoạt hóa bằng ánh sáng nên phản ứng quang hóa xúc tác
không đòi hỏi phải cung cấp nhiệt độ và có thể tiến hành phản ứng ở nhiệt độ phòng.
Nói chung nhiệt độ phản ứng nằm trong khoảng 20 – 800C là tốt nhất vì trong khoảng
đó năng lượng hoạt hóa của các quá trình quang hóa (Ea) là nhỏ nhất (khoảng 1-2

kJ/mol). Nếu nhiệt độ quá thấp (dưới 00C) giá trị Ea sẽ tăng lên. Nếu nhiệt độ quá cao
(trên 800C) sẽ không thích hợp cho quá trình hấp phụ các chất phản ứng lên bề mặt xúc
tác, vì vậy tốc độ phản ứng sẽ giảm.
- Dòng photon
Tốc độ phản ứng quang hóa xúc tác tỉ lệ bậc 1 với dòng photon (θ). Dòng
photon càng lớn cặp electron tự do - lỗ trống tạo ra càng nhiều, vì vậy tốc độ phản ứng
sẽ tăng. Tuy nhiên, trong điều kiện phòng thí nghiệm dòng photon có một giới hạn
(khoảng 25mW/cm2), trên giá trị đó tốc độ phản ứng sẽ tỉ lệ với θ1/2.
- Hiệu suất lượng tử

13

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

Được định nghĩa là tỉ lệ giữa tốc độ phản ứng quang hóa (mol.s-1) và tốc độ
dòng photon. Vì vậy trên thực tế với phản ứng quang hóa xúc tác phân hủy các hợp
chất hữu cơ thì luôn tồn tại các giai đoạn phản ứng trung gian nên hiệu suất lượng tử
thường nhỏ hơn 1 .
1.2.4. Ứng dụng của TiO2
Những nghiên cứu về TiO2 bắt đầu từ năm 1960, đến nay đã có rất nhiều công
trình nghiên cứu sâu về tính chất của TiO2 mở ra triển vọng ứng dụng trong nhiều lĩnh
vực.
Trong lĩnh vực xây dựng, hiện nay phần lớn các nhà cao ốc được trang trí bằng
những tấm kính lớn thay cho bức tường hay cửa sổ. Việc làm sạch những tấm kính này
rất nguy hiểm và cần nhiều thời gian. Tuy nhiên nếu ta phủ lên bề mặt các tấm kính
một màng mỏng TiO2 thì dưới tác dụng của tia cực tím trong ánh sáng mặt trời, các

chất bẩn bám trên bề mặt sẽ bị phân hủy thành các chất vô cơ không độc hại và được
rửa trôi bởi nước mưa. Như vậy, với công nghệ này các tấm kính hoàn toàn có khả
năng tự làm sạch.
Trong y tế, TiO2 cũng đang được nghiên cứu trong việc ứng dụng để điều trị
bệnh ung thư. Người ta đã thử nghiệm trên chuột bằng cách đưa TiO2 đến vùng bị ung
thư, sau đó chiếu rọi bằng tia cực tím thì kết quả cho thấy TiO2 có khả năng diệt được
các tế bào ung thư mà không ảnh hưởng đến các tế bào bên cạnh. Xúc tác quang hóa
cũng được ứng dụng trong diệt khuẩn, đặc biệt là những vi khuẩn độc hại như E.coli.
Trong công nghệ nhuộm màu, TiO2 có chức năng quan trọng, nó tạo độ bóng, độ
trắng, độ đục cho các sản phẩm như sơn, chất dẻo, mĩ phẩm, kem đánh răng, mực in,
đồ gốm sứ… Chức năng này dựa trên chỉ số chiết suất cao, khả năng uốn cong ánh
sáng của rutile.
Màng TiO2 anatase kích thước nano có tính siêu thấm nước, do đó nó dùng để
phủ lên kính ô tô để chống sương mù và nước mưa.
Trong lĩnh vực môi trường, trong những năm gần đây, khi các nhu cầu về xử lý
các thành phần hữu cơ độc hại trong môi trường trở nên bức xúc, hiệu ứng quang hóa
của TiO2 được xem như là một đặc tính tích cực và đóng vai trò quan trọng trong công
nghệ xử lý nước và không khí bị ô nhiễm. Tại Việt Nam ứng dụng về nano TiO2 được
14

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009

triển khai tại hầu hết các cơ sở nghiên cứu khoa học hàng đầu của Việt Nam trong
vòng 10 năm trở lại đây như: Nghiên cứu và ứng dụng nano TiO2 trong chế tạo sensor
nhạy khí, sensor hóa học tại Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu và Đào tạo Khoa học Vật
liệu (ITIMS); Nghiên cứu vật liệu và tính chất TiO2 trong các quá trình hóa học chống

ăn mòn đang được triển khai tại Khoa Hóa, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên,
ĐHQG Hà Nội... Trong xử lý nước thải: Tổng hợp và đặc trưng cấu trúc vật liệu titan
dioxit biến tính bằng kim loại bạc trên bentonit để xử lý mẫu nước thải dệt nhuộm làng
nghề Dương Nội (Hà Đông - Hà Nội) tại Khoa hóa, trường Đại học Khoa học Tự
nhiên, ĐHQG Hà Nội, Đánh giá hoạt tính xúc tác cử TiO2 trong phản ứng phân hủy
axit organe 10 (AO10) tại viện Khoa học vật liệu tại Tp. Hồ Chí Minh, trường Đại học
Khoa học tự nhiên, ĐHQG thành phố Hồ Chí Minh; Nghiên cứu hoạt hóa xúc tác
quang của TiO2 điều chế từ ilmenite Hàm Tân (Ninh Thuận) thông qua khả năng khử
màu và phân hủy thuốc thử Công gô đỏ tại phân viện Khoa học Vật liệu tại thành phố
Hồ Chí Minh, Viện công Nghệ Hóa Học, Đại học Khoa học tự nhiên - ĐHQG thành
phố Hồ Chí Minh....

Tính năng diệt khuẩn

Xử lý nước thải nhuộm

Hình 7: Một số ứng dụng của TiO2
1.2. Một số quy trình cơ bản sản xuất Titan từ tinh quặng ilmenite
1.2.1. Sản xuất TiCl4 và TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp axit hóa
Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất TiCl4 và TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng
phương pháp axit hóa:

15

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội


Nghiên cứu áp dụng tổng hợp bột TiO2 cỡ nano làm xúc tác quang hóa trong xử lý môi
trường – Vũ Thị Hạnh – Công nghệ môi trường 2009
Tinh quặng rutil

Tinh quặng ilmenite

Than cốc
Phương pháp H2SO4
nhận TiO2

Sản phẩm phụ
FeSO4.7H2O

Nấu hoàn nguyên

Xỉ Titan 80-85%
TiO2

Gang

TiO2 sạch

Clorua hóa

TiCl4 kỹ thuật

Làm sạch

TiCl4 sạch

Oxi, đốt
Clo

TiO2

Hình 8: Sản xuất TiCl4 và TiO2 từ tinh quặng ilmenite bằng phương pháp axit
a) Nấu hoàn nguyên ilmenite (luyện xỉ titan)
Hoàn nguyên tinh quặng để tách sắt, sản phẩm của quá trình này là xỉ titan và
gang.
Trong công nghiệp việc luyện xỉ titan, phản ứng xảy ra trong lò rất phức tạp. Có
thể nêu một số phản ứng chính như sau:
16

Viện khoa học & Công nghệ Môi trường – Đại học Bách khoa Hà Nội